Nghiên cứu và xây dựng cụm cảm biến sử dụng cho hệ thống cảnh báo sạt lở đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------------------

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM
CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ
THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------------------

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM
CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ
THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT
Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã Số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN

Hà Nội – 2015


1

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục và nghiêm túc, cùng với sự hướng dẫn
tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các
học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp, đến nay luận văn đã hoàn thành.
Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất tới PGS.TS. Trần Đức
Tân, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
tôi trong suốt thời gian tôi làm luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô, các anh/chị trong khoa Điện tử viễn
thông Trường Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp
đỡ, chỉ bảo và cho tôi lời khuyên quý báu.
Tôi cũng xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài cấp ĐHQGHN mã số QG.14-05.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh
thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực cố
gắng của bản thân; song phần vì kiến thức còn hạn chế, phần vì điều kiện tiếp xúc
thực tế chưa nhiều, nên bản luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định.
Vì thế, tôi rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè
và đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày tháng
Học viên

năm 2015

Nguyễn Văn Hùng


2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Hùng
Sinh ngày 26 tháng 28 năm 1983
Học viên lớp Cao học khoá 3 – Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại học Công
Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Hiện đang công tác tại khoa Điện – Trường Cao đẳng nghề Thừa Thiên Huế.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn là PGS.TS. Trần Đức Tân, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Hùng


3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 7
TÓM TẮT........................................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƢỢNG SẠT LỞ ĐẤT ............................. 10
1.1. Tổng quan về hiện tượng sạt lở đất ........................................................................ 10
1.2. Mạng cảm biến không dây phát hiện sạt lở đất ...................................................... 11
1.2.1. Giới thiệu mạng WSN ......................................................................................... 11
1.2.2. Cấu trúc mạng WSN ............................................................................................ 12
1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN .......................................................................... 12
CHƢƠNG 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN CẢNH
BÁO SẠT LỞ ĐẤT ..................................................................................................... 14
2.1. Phần cứng ............................................................................................................... 14
2.1.1. Sơ đồ khối ............................................................................................................ 14
2.1.2. Các khối trong sơ đồ ............................................................................................ 14
2.1.3. Các loại cảm biến và thiết bị dùng phát hiện sạt lở đất ....................................... 16
2.1.3.1. Các loại cảm biến ............................................................................................. 16
2.1.3.2. Các thiết bị thường dùng phát hiện, cảnh báo sạt lở đất .................................. 18
2.2. Phần mềm thu thập dữ liệu cảm biến ..................................................................... 21
2.2.1. Chương trình Waspmote IDE .............................................................................. 21
2.2.2. Chương trình Visual Studio ................................................................................. 25
2.2.2.1. Ứng dụng của Visual Studio............................................................................. 25
2.2.2.2. Chương trình Visual Studio (phụ lục) .............................................................. 25
2.3. Truyền thông trong mạng WSN ............................................................................. 25
2.4. Mô hình dự đoán trượt lở đất.................................................................................. 26
2.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 26
2.4.2. Độ dốc ổn định .................................................................................................... 29

2.4.3. Tính chất thủy văn đồi dốc .................................................................................. 33
2.4.4. Ngưỡng lượng mưa đối với đồi dốc không ổn định ............................................ 37
2.4.5. Mô phỏng thí nghiệm .......................................................................................... 39
2.4.6. Sự phát triển quy mô đồi dốc theo thời gian ....................................................... 40
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ................................................... 44
3.1. Mô phỏng mạng WSN dùng Omnet++ .................................................................. 44
3.1.1. Công cụ mô phỏng OMNeT++ ........................................................................... 44


4

3.1.2. Mô hình truyền gói tin ......................................................................................... 45
3.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng .............................................................................. 46
3.1.4. Kịch bản và kết quả thực nghiệm mô phỏng ....................................................... 46
3.2. Thực nghiệm kiểm chứng ....................................................................................... 49
3.2.1. Thực nghiệm trong phòng ................................................................................... 49
3.2.2. Thực nghiệm ngoài trời ....................................................................................... 51
3.3. Nâng cao thời gian hoạt động của hệ thống ........................................................... 54
3.4. Thảo luận ................................................................................................................ 55
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 59


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT

DÃY TỪ TIẾNG ANH

DÃY TỪ TIẾNG VIỆT

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

GIS

Geographic Information System

Hệ thống thông tin địa lý

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

DAC

Digital -to- Analog Converter

Bộ chuyển đổi số - tương tự

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

API

Application
Interface

WSN

MEMS

Programming

Micro-electro-mechanical
systems

Hệ thống vi cơ điện tử
Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

GSM

Global System
Communications

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Integrated
Environment

Môi trường phát triển tích hợp

IDE
OMNet
BER
IIS
UART

for

Giao diện lập trình ứng dụng

Development

Objective Modular
Testbed in C++

Network Ứng dụng mô phỏng hoạt động
của mạng

Bit Error Ratio

Tỉ số lỗi/bit

Internet Information Server

Web server hiển thị thông tin
trên internet

Universal
Asynchronous Truyền nhận dữ liệu không đồng
Receiver/Transmitter
bộ


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Điện áp Offset và độ nhạy ............................................................................ 48
Bảng 3.2: Kịch bản thực nghiệm khi đo lường trong phòng thí nghiệm....................... 49
Bảng 3.3: Số lượng các gói tin truyền - nhận được trong quá trình thực nghiệm trong
phòng ............................................................................................................................. 51
Bảng 3.4: Kịch bản thực nghiệm khi đo lường ngoài trời ............................................. 51
Bảng 3.5: Số lượng các gói tin truyền - nhận được trong quá trình thực nghiệm ngoài
trời.................................................................................................................................. 54
Bảng 3.6: Công suất tiêu thụ điện của một nút cảm biến .............................................. 54


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hiện trường vụ sạt lở đất ............................................................................... 10
Hình 1.2: Minh họa việc lắp đặt các hộp cảm biến và kết nối thành mạng .................. 11
Hình 1.3: Cấu trúc chung mạng WSN ........................................................................... 12
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng WSN .................................................................... 13
Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết bị phát hiện sạt lở đất .......................................................... 14
Hình 2.2: Pin 6600mAh ................................................................................................. 15
Hình 2.3: Thiết bị XBEE ............................................................................................... 15
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ LM35............................................................................... 16
Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ........................................................................ 17
Hình 2.6: Sơ đồ khối và sơ đồ chân cảm biến ADXL335 ............................................. 17
Hình 2.7: Cảm biến độ ẩm 6440 .................................................................................... 18
Hình 2.8: Cấu trúc chung của nút cảm biến .................................................................. 19
Hình 2.9: Bộ Waspmote ................................................................................................ 20
Hình 2.10: Mô tả phương thức truyền thông ................................................................. 26
Hình 2.11: Mô phỏng địa hình đồi dốc.......................................................................... 29
Hình 2.12: Cân bằng vỏ đất để thay đổi tỷ lệ độ dốc tương đối tanθ/tanΦ' .................. 32
Hình 2.13: Mô hình độ nhạy tỷ lệ độ rỗng e cho các mức độ trạng thái đất bão hòa bên
trên mực nước ngầm: (a) khô, (b và c) trung gian, và (d) bão hoà ................................ 33
Hình 2.14: Phác thảo của lưu vực cơ bản ...................................................................... 33
Hình 2.15: Chiều cao của mực nước ngầm so với thời gian cơn mưa là khác nhau theo
a/b dưới những điều kiện quy định ................................................................................ 36
Hình 2.16: Dòng chảy được tạo ra so với thời gian cơn mưa là khác nhau theo a/b dưới
những điều kiện quy định .............................................................................................. 36
Hình 2.17: Giá trị cường độ mưa so với thời gian cho các giá trị khác nhau của tỷ lệ độ
dốc tương đối và thông số quy định của đất e, Sr và Gs ........................................................................ 38
Hình 2.18: Đường biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ lệ lượng mưa và thời gian mưa với
các đường cong IDF biểu diễn giai đoạn trở lại của sạt lở đồi dốc ............................... 42
Hình 3.1: Các module đơn giản và kết hợp ................................................................... 45
Hình 3.2: Truyền message ............................................................................................. 45
Hình 3.3: Độ ẩm thu được ............................................................................................. 47

Hình 3.4: Giá trị thực nghiệm gia tốc trục y trong điều kiện tĩnh ................................. 48
Hình 3.5: Giao diện quản lý dữ liệu của trang web ....................................................... 49
Hình 3.6: Mô hình thực nghiệm các hệ thống WSNs khi thí nghiệm trong phòng ....... 50
Hình 3.7: Số lượng gói tin nhận được trong quá trình thực nghiệm trong phòng ......... 50
Hình 3.8: Số lượng gói tin gửi đi trong quá trình thực nghiệm trong phòng ................ 51
Hình 3.9: Mô hình thực tế của hệ thống WSNs trong thí nghiệm trong phòng ............ 51
Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm các hệ thống WSNs trong thí nghiệm ngoài trời ..... 52


8

Hình 3.11: Số lượng gói tin nhận được trong quá trình thực nghiệm ngoài trời........... 53
Hình 3.12: Số lượng gói tin gửi đi trong quá trình thực nghiệm ngoài trời .................. 53
Hình 3.13: Mô hình thực tế của hệ thống WSNs trong thực nghiệm ngoài trời ........... 54
Hình 3.14: Mô hình phương thức truyền dữ liệu........................................................... 55


58

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. A., Berti, M., Bicocchi, N., Castelli, G., Corsini, A., Mamei, M., &
Zambonelli, F. (2011). Landslide monitoring with sensor networks: experiences and
lessons learnt from a real-world deployment. International Journal of Sensor
Networks, 10(3), 111-122.
2. Ramesh, M. V., & Vasudevan, N. (2012). The deployment of deep-earth
sensor probes for landslide detection. Landslides, 9(4), 457-474.
3. Texas Intrusment, 2013, LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors
www.ti.com
4. Datasheet Dir, Precision ±18 G Single-/Dual-Axis IMEMS Accelerometer,
www.datasheetdir.com/ADW22035+Accelerometer.

5. Digi. [Online] www.digi.com/pdf/ds_xstreammodule.pdf.
6. Gary Johnson, Richard Jennings, 2006, LabVIEW Graphical Programming,
McGraw-Hill Professional, 4th edition , 608 pages.
7. Frank R. 2013. Understanding smart sensors. Artech House.
8. L. M. Ha, Tran Duc Tan, N. T. Long, N. D. Duc, N. P. Thuy, Errors
Determination Of The MEMS IMU, Journal of Science, Đại học Quốc gia Hà nội,
ISSN 0866-8612, 2007, pp. 6-12.
9. Chen, Feng, et al. "Simulation study of IEEE 802.15. 4 LR‐ WPAN for
industrial applications." Wireless Communications and Mobile Computing 10.5
(2010): 609-621.
10. Dinh-Chinh Nguyen, Duc-Nghia Tran, Tran Duc-Tan, Application of
Compressed Sensing in Effective Power Consumption of WSN for Landslide
Scenario, Asia Pacific Conference on Multimedia and Broadcasting, pp. 111-115,
April 2015.
11. Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc Nghia, Le Ngoc Hoan, Ta Duc Tuyen, Pham
Anh Tuan, Tran Duc Tan, Multi-sensors integration for landslide monitoring
application, VNU Journal of Science – Natural Science and Technology, Vol. 30, No.
6S-B, 2014, pp. 202-210.
12. Rosso, Renzo, Maria Cristina Rulli, and Giovanni Vannucchi. "A physically
based model for the hydrologic control on shallow landsliding." Water Resources
Research 42.6 (2006).
13. Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc-Tan, Energy Efficiency Scheme for
Wireless Sensor Network based Landslide Monitoring System, International
Conference on Green and Human Information Technology (ICGHIT), Feb. 4 ~ Feb. 6,
2015, Vietnam